Аппарат с вертикальным взлётом и посадкой

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аппарат с вертикальным взлётом и посадкой

Автор: Кожухов Владислав Витальевич

Научный руководитель: Коц А.А.,

Ростов-на-Дону, 2016

АННОТАЦИЯ

Проектирование и производство беспилотных летательных аппаратов (далее БПЛА) является социально-значимым направлением для страны и общества в целом. БПЛА используются для гражданских нужд: мониторинг окружающей среды, контроль над территориями с антропогенными загрязнениями, наблюдение за погодой, изучение ареалов обитания некоторых видов животных и растений, картографирование, исследования в области сельского хозяйства.

Цель работы

Целью является разработка БПЛА с вертикальным взлётом и посадкой, возможностью перехода в горизонтальный полёт.

Апробация

Результаты данного исследования обсуждались на расширенном заседании комиссии по авиамоделизму ГБОУ ДОД РО «Областной центр технического творчества учащихся».

Основные положения и выводы диссертационного исследования обсуждались на следующих научно-практических конференциях: XII-й Международный авиационно-космический салон МАКС-2015 в рамках фестиваля «От Винта» (Московская область, г. Жуковский, 15-20 августа 2015), всероссийский конкурс «Сокол России» (Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, 15 января 2016).

ВВЕДЕНИЕ

беспилотный летательный аппарат горизонтальный

Проектирование и производство беспилотных летательных аппаратов (далее БПЛА) является социально-значимым направлением для страны и общества в целом. Благодаря быстрорастущему темпу развития автономных летательных систем, вызванному появлением мощных микропроцессоров, исполнительных устройств и дешёвых компонентов, данная сфера стремительно развивается в последние годы. Частично на этот процесс повлияла нестабильная геополитическая обстановка. Одним из ключевых стимулом прогресса в данной отрасли, к сожалению, послужило успешное использование БПЛА во время военных конфликтов [9].

Однако не стоит забывать об огромном потенциале применения данных комплексов для гражданских нужд: мониторинг окружающей среды, контроль над территориями с антропогенными загрязнениями, наблюдение за погодой, изучение ареалов обитания некоторых видов животных и растений, картографирование, исследования в области сельского хозяйства.

Актуальность и новизна темы исследования.

Для улучшения качества применения БПЛА в данных сферах необходимо увеличение надёжности и простоты использованиякомплексов. В первую очередь, нужны аппараты, не требующие специальной инфраструктуры для взлёта и посадки, способные выдерживать неблагоприятные воздействия окружающей среды.

Это направление привлекает внимание крупные международные компании. С одной стороны, это ритейлеры, инвестирующие деньги в перспективные инновационные проекты [II]. С другой стороны, это транснациональные публичные корпорации, мечтающие освоить новые рынки сбыта [I]. Кроме того, во многих научно-исследовательских центрах (см. таблица 1) активно развивается направление вертикального взлёта и посадки (далее ВВиП). Тем не менее, данная область является не до конца изученной. На сегодняшний день существует несколько полноценных концепций БПЛА с вертикальным взлётом и переходом в горизонтальный полёт (см. таблица 2). Однако их производство требует значительных экономических вложений, они не компактны, не могут осуществлять посадку на неровную поверхность.

Таблица 1 Научные центры, разработчики БПЛА с ВВиП

Лаборатория университета	Электронные устройства и сенсоры	Программное обеспечение (ПО)
Массачусетский технологический институт[1;2]	X-Cell 60 Helicopter; ISIS-IMUГиростабилизатор(Inertialmeasurementunit)(100 Гц; дрейф 0,02 градус/минута); HoneywellHPB200AАльтиметр (точность измерения два фута);	QNX Operating System; Оценкасостояния - 13-state extended Kalman filter; LQRЛинейно-квадратичныйрегулятор (Linear quadratic regulator or LQR)контроль;
Стэнфордский университет[3;4]	Superstar GPS (1 Hz); Yamaha R-Max Helicopter; Litton LN-200 IMU (400 Гц); Novatel RT-2 DGPS; KVH-100 flux-gate compass(5 Гц);	VxWorks Operating System; PD and H?контроль; Оценкасостояния - 13-state extended Kalman filter;
Калифорнийский университет в Беркли [5;6]	Yamaha R-Max & Maxi Joker; Boeing DQI-NP INS/GPS system; NovatelMillen RT-2 DGPS;	VxWorksOperatingSystem
Лаборатория реактивного движения(Калифорнийский технологический институт) [7]	Bergen Industrial Helicopter; NovAtel OEM4 DGPS; ISIS IMU; MDL ILM200A laser altimeter;	QNX real-time OS; Оценки движения на основе образа;

Таблица 2. Перспективные проекты БПЛА с вертикальным взлётом и переходом в горизонтальный полёт

Название организации	Название проекта	Название аппарата
ХолдингAlphabet КомпанияGoogleXРанее подразделениеGoogleInc., разрабатывающее перспективные технологии	PROJECT WING	БПЛА M2 [I] (Дата регистрации в FAAФедеральное управление гражданской авиации США(FederalAviationAdministration): 2 Октября 2015) БПЛА B3 [I] (Дата регистрации в FAA: 7 Октября 2015)
Amazon.com, Inc.	AMAZON PRIME AIR	БПЛА PRIME AIR [II] (Дата регистрации в FAA: 1 Марта 2015)
Лёвенский католический университет («KU Leuven»)	DELIVERY DRONES	БПЛА Vertikul [III] (Данные о регистрации не подтверждены)

Вопрос исследования

Возможно ли создать БПЛА (класса Mini), способный вертикально взлетать и садиться, переходить в горизонтальный полёт?

Объект исследования: БПЛА класса мини.

Предмет исследования: переход в горизонтальный полёта.

Цель работы

Целью является разработка БПЛА с вертикальным взлётом и посадкой возможностью перехода в горизонтальный полёт.

Задачи

Достижение указанной цели предполагает постановку и решение следующих задач:

1. Сбор информации о БПЛА с вертикальным взлётом и переходом в горизонтальный полёт

2. Создание чертежей модели

3. Испытание опытных образцов модели

4. Создание полуавтоматического управления

Гипотеза

БПЛА может за короткий промежуток времени осуществить посадку в заданном месте, при этом ему не будет нужна взлётно-посадочная полоса.

Методы исследования

1. Анализ

2. Сравнение

3. Эксперимент

4. Компьютерное и материальное моделирование

Технические требования

Для полноценного функционирования в полевых условиях, аппарат должен иметь следующие характеристики (см. Таблица 3).

Таблица 3Технические требования к аппарату

Параметр	Значение
Средняя скорость полёта	21 м/с
Масса аппарата	5 100 г
Дальность полёта	15500 м
Полезная нагрузка	1 200 г
Размах крыла	1,6 м
Высота полёта	350 м
Температура работы системы	+/-30 °
Цена	110000 р.

План исследования. этапы построения модели

Анализ литературы

Инженерный анализ

Создание на компьютере тестовой модели крыла

Создание чертежа

Профиль полёта

Создание модели 1:1; испытание летных характеристик

Отладка и испытание

Подведение итогов

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая и практическая значимость исследования заключается разработке нового вида БПЛА с вертикальным взлётом и переходом в горизонтальный полёт. В ходе исследования показан полный цикл разработки аппарата начиная от стадии идея, и заканчивая выпуском готового прототипа.

Данные и выводы, эмпирический материал, накопленный в ходе исследования, разработанные программы, чертежи, схемы используются на производствах Ростовской области в качестве примеров развития проектного мышления у молодых инженеров.

Апробация

Результаты данного исследования обсуждались на расширенном заседании комиссии по авиамоделизму ГБОУ ДОД РО «Областной центр технического творчества учащихся».

Основные положения и выводы диссертационного исследования обсуждались на следующих научно-практических конференциях: XII-й Международный авиационно-космический салон МАКС-2015 в рамках фестиваля «От Винта» (Московская область, г. Жуковский, 15-20 августа 2015), всероссийский конкурс «Сокол России» (Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, 15 января 2016).

Структура работы

Научно-исследовательская работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, интернет ресурсов, программного обеспечения и приложения.

ГЛАВА I. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

На сегодняшний день существует несколько видов БПЛА с вертикальным взлётом и переходом в горизонтальный полёт. Мы разделили их на следующие группы по количеству моторов (см. схема 1).

Схема 1. Классификация БПЛА с вертикальным взлётом по количеству моторов

С одной стороны, дальность полёта (далее L) зависит от компонентов БПЛА и выражается формулой:

массовая доля эффективности

С другой стороны, дальность полёта становится максимальной, когда аэродинамическое качество максимально, а сопротивление воздуха минимально.

Принцип отбора параметров

Для достижения поставленной цели было решено разработать алгоритм анализирующий данные, которые влияют на дальность полёта (см. схема 2).

Схема 2 Алгоритм анализа данных

Профиль полёт БПЛА

Благодаря данным, рассчитанным по формуле 1,было решено разрабатывать аппарат с четырьмямоторами, расположенными по схеме коптера. Мы приступили к созданию профиля полёта (см. рис.1) и разработали 3D модель полёта нашего аппарата (см. рис.2.)

Этапы

Взлет. Предполагаемая продолжительность составляет 10-25 секунду, без учёта периода турбулентности.

Набор высоты. Предполагаемая продолжительность 3 минуты, чтобы достичь значения 500 м.

Крейсерский полёт. Время в пути 12 минут

Снижение. Продолжительность 3 мин.

Посадка.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Математическая модель

Для дальнейшей разработки БПЛА нам потребовались две модели, отражающие полёт в вертикальном и горизонтальном положении.

Изучив общее уравнения движения, описанное в статье [8], нами был сделан вывод, что БПЛА “Vertikul”, имея ряд существенных отличий (профиль крыла, положение и количество двигателей), является аналогом нашей системы. Именно поэтому, мы взяли его математическую модель за основу.

Первая модель отражает полёт БПЛА в режиме квадрокоптер(см. рис. 3). Вторая модель - полёт БПЛА в режиме самолёт(см. рис. 4). Углы рысканья (), крена ( и тангажа () являются углами Эйлера. Индекс “q” обозначает принадлежность к координатной системе квадрокоптера, индекс “s” к самолёту.

Рис.3. БПЛА в режиме квадрокоптер

Рис.4. БПЛА в режиме самолёт

Таким образом, общее уравнение движения, выраженное через , получается на основе уравнения Ньютона-ЭйлераИндекс «q» используется для обозначения векторов в координатной системе квадрокоптера.

=

линейная скорость

угловая скорость

внешние силы

момент сил

Фактически, мы записали второй закон Ньютона и сумму моментов инерции для БПЛА. Затем, создали компьютерную модель БПЛА (см. рис. 5). После чего, был сделан чертёж в программе AutoCAD(см. рис. 6).

Рис.5. Компьютерная модель БПЛА



Рис.6. Чертёж БПЛА

ГЛАВА II. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Расчет затрат на разработку проекта.

Капитальные вложения на производство БПЛА (рассчитываются по формуле:

,

Однако на данном этапе (технический проект) мы не рассчитываем , принимая его в формуле (3) равным нулю.

Начальные затраты - единовременные расходы на исследование и обработку материалов исследования, разработку и усовершенствование систем, которые включены в .

Суммарные затраты на проектирование системы и ее разработку и отладку определяются по формуле:

,



коэффициент, учитывающий дополнительную заработную плату в долях к основной заработной плате (в нашем регионе )

коэффициент, учитывающий отчисления на социальные нужды, в долях к сумме основной и дополнительной заработной платы разработчиков ()

коэффициент, учитывающий накладные расходы организации, в долях к основной заработной плате разработчиков (по фактическим данным )

затраты на основную заработную плату работника i-й категории

: затраты на материалы

m: количество работников, участвующих в разработке проекта

Затраты на основную заработную плату сотрудника рассчитываются:

: среднедневная заработная плата работника

t:количество дней, отработанных работником

Затраты времени (t) на разработку БПЛА по каждому исполнителю принимаются, исходя из его загрузки по календарному графику выполнения работ. Расчет основной заработной платы разработчиков проекта приведен из расчета, что в месяце в среднем 21 рабочий день (см. табл. 4)

Таблица 4Основная заработная плата разработчиков аппарата

Характеристика	Руководитель	Инженер
Должностной оклад, руб.	15 300	11 500
Средняя дневная ставка	728, 57	547,62
Затраты на разработку, человеко-дней	7	40
ОЗП, руб.	5099,99	22984,8
Итого	28 084,79

Материалы, приобретенные в процессе выполнения работы, и их стоимость приведены в таблице (см. табл. 5)

Таблица 5Затраты на разработку

Материал	Количество	Цена за единицу, руб.	Сумма, руб.
Бальса	0,5	130	1040
Углепластик	0,3	2400	720
Пленка-оракал	1	516,20	516,20
Электродвигатель (бесколлекторный)	4	1200	4800
Полетный контроллер	1	20900	20900
Винты	4	800	3200
Прочее	-	-	3800
Итого	34 976,20

Таким образом, капитальные вложения на разработку БПЛА равны:

+ 34 976,20 =101 486, 60

ГЛАВА III. ПРОИЗВОДСТВО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

По чертежу, была построена миниатюрная копия БПЛА (1:3). Она была сделана из потолочной плитки и стеклопластика. На модель были установлены две тяги, приёмник и четыре двигателя, наконечники. Были проведены эксперименты по регулировке БПЛА. Запуск БПЛА осуществлялся в помещении, что позволило эффективно поднять БПЛА на высоту и проверить его устойчивость. Были выявлены ряд проблем, связанные с переходом в горизонтальный полёт.

После чего, мы приступили к строительству модели 1:1 и через несколько недель собрали каркас. Затем установили систему и обшили БПЛА. Произвели ряд общих тестов (запуск двигателей, работа элевонами) и перешли к испытаниям.

ГЛАВА IV. ИСПЫТАНИЕ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Для испытания аппарата было необходимо иметь высокий уровень компетенции. Перед началом полевых работ был проведён инструктаж по мерам безопасности. Далее проведена предварительная подготовка и предполётная подготовка, установлено специальное оборудование: передатчик сигнала, приёмник, экран, пульт управления, что увеличило взлётную массу (см. схема 3).

Взлётная масса аппарата

Схема 3. Распределение массы по компонентам БПЛА

Меры безопасности

1. Обязательно установить связь сГлавным Центром Единой системы организации воздушного движения Российской Федерации (РЦ ЕС ОрВД)

2. Определить точку старта БПЛА и выбрать место посадки

4. Провести предварительную и предполётную подготовку

5.Сделать осмотр материальной части комплекса дистанционного мониторинга и предполётного оборудования

6. Оценить фактическую метеорологическую ситуацию

Компетентность для выполнения полёта

Оператор должен знать:

· порядок и правила эксплуатации БПЛА;

· основы самолетовождения, аэродинамики, метеорологии;

· специфику применения БПЛА для нужд лесного хозяйства;

· правила ведения радиосвязи;

· правила техники безопасности при выполнении работ с БПЛА

Предварительная подготовка

При предварительной подготовке необходимо:

1. Уяснение задачи предстоящих полетов

2. Согласование использования воздушного пространства с РЦ ЕС ОрВД

3. Изучение района планируемых работ

4. Изучение правил полетов и аэронавигационной обстановки конкретной местности

5. Составление плана работ с нанесением на карту

6. Разработка маршрутов

Предполётная подготовка (оператор)

1. Уточнить задание

2. Определить безопасную высоту полёта

3. Принять решение на вылет

После этого было произведено два запуска (07.07.2015) , в ходе которых аппарат показал следующий ряд характеристик (см. таблица 6)

Таблица 6. Основные лётно-технические характеристики

Параметр	Значение
Крейсерская скорость	21 м/c
Коэффициент подъёмной силы	0,9
Дальность полёта	15 700 м
Высотаполёта	400 м
Время полёта	12,4 мин
Масса аппарата	3 250 г
Полезная нагрузка	1200 г

ВЫВОДЫ

В результате проведенного нами исследования был полностью выполнен план работы. Собран БПЛА с вертикальным взлётом и возможностью разъёма крыла для транспортировки. Создана система управления БПЛА с земли по заданным координатам. Увеличена дальность полёта, при этом сделав аппарат лёгким и выдержав бюджет на изготовление аппарата.

Во время разработки проекта были изучены: азы по основам авиастроения, программы по компьютерному моделированию и созданию 3D моделей, чертежей, методы работы с композитными материалами, обработка деревянных изделий (в т.ч. бальзового дерева), принципы управления БПЛА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представлен полный цикл исследования, включающий работу в компьютерных программах, проведения экспериментов, обработку и анализ полученных материалов, создание новой системы.Как мы определили, все полученные характеристики соответствуют техническому заданию. В результате чего мы считаем, что гипотеза оказалось верной.

ОТЛИЧИЯ НАШЕГО БПЛА ОТ АНАЛОГОВ

Небольшая цена производства и возможностью сборки вне промышленного производства

Компактность конструкции

Простота и удобство технического обслуживания

Возможность взлёта и посадки без взлётно-посадочной полосы

ДАЛЬНЕЙШИЕ ПЛАНЫ

Планируется продолжать работу в данном направлении. Необходимо провести дополнительные эксперименты по изучению ВВиП. Кроме того, доработать конструкцию БПЛА (установить винглеты), подготовить техническую документацию для выпуска опытной партии.

БИБЛИОГРАФИЧЕКИЙ СПИСОК

1. Gavrilets, V., et al.: Avionics system for a small unmanned helicopter performing aggressive maneuvers. In: The 19th Digital Avionics Systems Conferences, 2000. Proceedings. DASC (2000), p. 10;

2. Saripalli, S., et al.: A tale of two helicopters. IEEE/RSJ Int. Conf. Intell. Robots Syst. 1(1), 805-810 (2003), p. 172;

3. Abbeel, P., et al.: An application of reinforcement learning to aerobatic helicopter flight. In: Proceedings of Neural Information Processing Systems (NIPS) Conference, Vancouver, B.C.,Canada (2007), p. 24;

4. Abbeel, P., Ganapathi, V., Ng, A.Y.: Learning vehicular dynamics, with application to modeling helicopters. In: Proceedings of Neural Information Processing Systems (NIPS) (2006), p. 102;

5. Meingast, M., Geyer, C., Sastry, S.: Vision based terrain recovery for landing unmanned aerial vehicles. In: 43rd IEEE Conference on Decision and Control. CDC. vol. 2, pp. 1670-1675 (2004), p. 81;

6. Ng, A.Y., et al.: Autonomous helicopter flight via reinforcement learning. In: Proceedings of Advances in Neural Information Processing Systems (NIPS) 2004;

7. Montgomery, J.F., et al.: Autonomous helicopter testbed: a platform for planetary exploration technology research and development. J. Field Robot. 23(3/4), 245-267 (2006), p. 2;

8. Hochstenbach M., Notteboom C.: Design and control of an unmanned aerial vehicle for autonomous parcel delivery with transition from vertical take-off to forward flight. In: Transport & Mobility Leuven, Belgium (2013), p. 15;

9. RAND Corporation (2011), Unmanned Aircraft Systems for Logistics Applications. (By John E. Peters, SomiSeong, AimeeBower, Harun Dogo, Aaron L. Martin, Christopher G. Pernin.)/

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис. Трёхмерная модель наконечника для посадки на грунт

Рис. Наконечник для посадки на грунт, напечатанный на 3Dпринтере

Размещено на Allbest.ru

...